CAPÍTULO 3
Capítulo 3 – Metodologia Experimental
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3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
O presente capítulo descreve a metodologia empregada no desenvolvimento e
análise do desempenho dos insertos de aço rápido AISI M2 com quebra-cavaco e os
equipamentos utilizados. Para comparar o resultado, foi desenvolvida uma ferramenta em
forma de Bits VWM2 com quebra-cavaco.
3.1. Insertos de Aço Rápido AISI M2
Os insertos de aço rápido foram fabricados através dos processos de metalurgia do
pó convencional (compactação e sinterização), tratamentos térmicos (têmpera e revenido) e
afiação. Os processos de fabricação serão descritos a seguir.
3.1.1. Materiais Utilizados
Os materiais utilizados na manufatura foram:
• Pó de aço rápido M2 fornecidos pela Powdrex, empresa localizada na
Inglaterra;
• Estereato de Zinco, usado como lubrificante da matriz de compactação.
A composição química e a densidade teórica do aço rápido AISI M2 está
apresentada na Tabela 5.
Tabela 5 – Composição química e densidade do aço rápido M2.
Elemento C Cr Co Mn Mo Si V W Fe
Densidade 2,25 7,10 8,90 7,40 10,22 2,33 6,10 19,30 7,87
DensidadeTeórica g/cm3
M2 (% em Peso)
0,8 4 0,7 0,4 5 0,4 2 6 80,7 8,55
As propriedades físicas do pó e a distribuição granulométrica do pó de HSS M2
estão na Tabela 6 e Tabela 7 respectivamente.
Capítulo 3 – Metodologia Experimental
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Tabela 6 – Propriedades física do pó de HSS M2 (fornecido pela empresa Powdrex).
Propriedade Valor Observação Densidade Aparente
(g/cm3) 2,31
Fluxo (s/50g) 37,92
Compressibilidade (g/cm3) 6,60 > 6,5 a 100 Kpsi, lubrificada com 0,75% em peso de estearato de magnésio.
Resistência a verde, psi 4127 > 3000 a 87 Kpsi, com a parede da matriz lubrificada.
Resistência a verde, psi 2783 > 1500 a 87 Kpsi, lubrificada com 0,75% em peso de estearato de magnésio
Tabela 7 – Distribuição granulométrica do pó de HSS M2 (fornecido pela empresa
Powdrex).
Distribuição Granulométrica Porcentagem Cumulativa (% peso) Observações
+60# > 250 µ m 0,00 +85# > 180 µ m 0,00 +100# > 150 µ m 0,57 < 2 +150# > 106 µ m 18,13 +200# > 075 µ m 41,18 +350# > 045 µ m 70,00 < 80
O pó de aço rápido AISI M2 possui forma irregular (Figura 36 e Figura 37) que
evidencia o processo de atomização em água. Na sua microestrutura é observado presença
de carbonetos visíveis na superfície das partículas de aços rápido que comprovam que estes
foram recozidos (Figura 37). Estes carbonetos são oriundos do carbono segregado da
matriz martensítica originária do processo de atomização.
3.1.2. Compactação
As pastilhas de aço rápido foram compactadas uniaxialmente a frio através de uma
matriz flutuante de duplo efeito. Esta matriz, representada na Figura 38, foi desenvolvida
por NOGUEIRA [2004] e as características do processo são: pressão máxima = 700 MPa
e carga máxima = 10,5 ton.
No processo de compactação foi utilizada uma máquina universal de ensaio da
marca EMIC, modelo DL 300 KN e sua carga máxima é de 300 KN (Figura 39).
Capítulo 3 – Metodologia Experimental
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Figura 36 - Pó de aço rápido M2.
Figura 37 – Partículas de HSS M2
Figura 38 – Matriz flutuante de compactação
Figura 39 – Máquina universal de ensaio
EMIC
Todos os insertos foram compactados com uma pressão de 700 MPa a uma
velocidade de 20 mm/min com tempo de permanência de 20 segundos. Nas compactações,
foi utilizado estereato de zinco como lubrificante sólido, o que pulverizava o interior da
matriz e os punções.
A quantidade de pó utilizada para a fabricação de cada inserto foi de 5 gramas, o
que resultava uma altura de aproximadamente de 5,2 mm, esta é suficiente para compensar
a contração durante a sinterização e também o sobre metal para o processo de afiação. A
altura final dos insertos é de 4,76 mm.
3.1.3. Sinterização
Os insertos de aço rápido AISI M2 foram sinterizados a uma temperatura de
Carboneto
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1270ºC em forno tubular, com taxa de aquecimento de 10ºC/min e tempo de patamar de 60
minutos. Todas as sinterizações ocorreram com atmosfera levemente redutora de N2 – 8%
H2, com resfriamento no forno até a temperatura ambiente. Todos estes parâmetros de
sinterização foram propostos por FERNANDES [2006].
3.1.4. Tratamento Térmico
Conforme estudados anteriores, os insertos de aço rápido foram aquecidos a uma
temperatura de 1200ºC, com uma taxa de aquecimento de 10ºC/min, permaneceram nesta
por 3 minutos e após foram temperadas em óleo a 80ºC [NOGUEIRA, 2004;
FERNANDES, 2006]. O ciclo do processo de têmpera aplicado nos insertos está
representado na Figura 40.
O aquecimento foi realizado em forno mufla sendo este dividido em duas etapas:
I. Aquecimento até 800ºC com um tempo de patamar de 10 minutos, para
homogeneizar a temperatura em todo o inserto e evitar o empenamento;
II. Aquecimento até 1200ºC, que é a temperatura de patamar.
Após o tratamento térmico de têmpera, os insertos foram submetidos a dois
revenidos (duplo revenido). Para cada processo, os insertos foram aquecidos em forno
mufla até 560ºC, onde permaneceram nesta por duas horas e em seguida foram resfriados
ao ar até a temperatura ambiente [NOGUEIRA, 2004; FERNANDES, 2006].
3.1.5. Geometria dos Insertos
As dimensões dos insertos de aço rápido (Figura 41) são baseadas nas pastilhas
negativas para torneamento geral modelo TNMG 16 04 04 R-K. Utilizou-se também um
suporte MTJNR 2020 K16GL (Figura 42). Os insertos foram afiados conforme o desenho
da Figura 43. [MANUAL TÉCNICO DE USINAGEM, 2005; FERRAMENTAS PARA
TORNEAMENTO, 2002].
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20
220
420
620
820
1020
1220
1420
Tempo (min)
Tem
pera
tura
(ºC
)Taxa de
Aquecimento de 10 ºC/min
Temperatura de dissolução dos Carbonetos
de 1200 ºC por 3 minutos
Temperatura de pré-aquecimento de800ºC por 10 miutos
Resfriamento( no óleo à 80 ºC)
80 ºC
Figura 40 – Curva do tratamento térmico de têmpera para os insertos de aço rápido.
Figura 41 – Inserto AISI M2 afiado.
Figura 42 – Suporte para pastilha
MTJNR 2020 K16GL.
3.2. Bits VWM2
Para comparar o resultado do inserto de aço rápido sinterizado, utilizou-se um
material semelhante na forma de bits. O bits possuía a mesma geometria dos insertos.
3.2.1. Material Utilizado
O material escolhido para o bits foi o VWM2 beneficiado pela Villares Metals S.A.
A sua composição química certificada pela Villares Metal se encontra na Tabela 8.
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Figura 43 – Desenho representativo do inserto AISI M2.
Tabela 8 – Composição química do aço rápido VWM2 conforme certificação da Villares
Metals S.A. Composição Química em %
C Mn Si S P Cr Ni Co Cu Ti Al Mo Nb Outros
0,88 0,3 0,43 0,001 0,023 4,19 0,19 0,39 0,1 0,006 0,027 4,77 0,01 V=1,85 W=6,08
Sn=0,006
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3.2.2. Tratamento Térmico
A barra de VWM2 também passou pelos tratamentos térmicos de têmpera e duplo
revenido, conforme o tratamento térmico executado nos insertos.
No tratamento térmico de têmpera, a temperatura de patamar escolhida foi de
1200ºC por 5 minutos, com uma taxa de aquecimento de 10ºC/min e o resfriamento em
óleo a 80ºC.
Os revenidos ocorreram a uma temperatura de 560ºC por 2 horas, com taxa de
aquecimento de 10ºC/min e o resfriamento ao ar até a temperatura ambiente.
3.2.3. Geometria do Bits
O bits (Figura 44) possuía a mesma geometria de corte dos insertos. O quebra-
cavaco também foi considerado, pois se desejava uma ferramenta semelhante ao inserto. O
processo de afiação respeitou o desenho da Figura 45.
Figura 44 – Bits VWM2 afiado.
3.3. Dureza dos Insertos HSS AISI M2 e da Ferramenta HSS VWM2.
Os insertos e o material VWM2 passaram pelo processo de medição de dureza. As
durezas foram mensuradas em HRC, para comparar com os resultados obtidos por
FERNANDES [2006].
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Figura 45 – Desenho representativo do bits VWM2.
3.4. Ensaios de Usinagem
O processo de usinagem escolhido para os testes foi o torneamento convencional
cilíndrico, o qual é proposto pela ISO 3685 [1993], norma que os ensaios foram baseados.
A análise de desgaste foi executada no flanco das ferramentas [ISO 3685, 1993].
Capítulo 3 – Metodologia Experimental
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3.4.1. Material utilizado para o Ensaio
O material de trabalho foi o aço C45 laminado de acordo com a ISO 3685 [1993]
ou o aço SAE 1045. As dimensões do material foram de 25,4 mm de diâmetro e 210 mm
de comprimento, assim respeitando uma razão de comprimento/diâmetro ≤ 10, conforme
ISO 3685 [1993] (Figura 46). A composição do aço SAE 1045 expressa no certificado está
na Tabela 9. Os corpos de prova eram sempre reutilizados até um diâmetro de 21 mm
(sempre usinados novamente para manter as características), mas sempre respeitando a
razão comprimento/diâmetro.
Tabela 9 – Composição química do aço SAE 1045 conforme certificação.
Composição Química em % C Mn Si S P Cr Ni Co Cu Ti Al Mo Nb Outros
0,46 0,65 0,19 0,015 0,014 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3.4.2. Metodologia Aplicada para os Ensaios
Os ensaios de usinagem foram baseados na ISO 3685 [1993] e no trabalho
executado por NOGUEIRA [2004]. Os ensaios foram executados por torneamento
retilíneo cilíndrico externo e sem o uso de fluido de corte (Figura 47). A intenção do não
uso do fluido de corte foi descrever a possibilidade da quebra catastrófica do inserto e se
este suportaria condições severas de usinagem [ISO 3685, 1993]. NOGUEIRA [2004]
também utilizou destas condições severas para medir o desgaste dos insertos de aço rápido.
Para todos os testes de usinagem, utilizou-se um avanço de 0,1 mm/rev e profundidade de
corte de1 mm. O critério de fim de vida utilizado durante os ensaios foi VBBmáx = 0,6 mm
[ISO 3685, 1993].
Os testes tiveram duração máxima de 45 minutos (este tempo foi escolhido porque
se pretendia analisar a influência dos mecanismos de desgaste em cada velocidade). A cada
5 minutos de corte, era executada uma parada para análise de desgaste no microscópio
eletrônico de varredura (MEV) [ISO 3685, 1993]. O microscópio eletrônico de varredura é
da marca ZEISS, modelo DSM 940A.
Nos ensaio utilizou-se um torno com CNC (comando numérico computadorizado),
fabricado pelas Indústrias ROMI S.A., modelo CENTUR 30S com rotação máxima de
3.500 rpm e com potência de 6,5 KW (Figura 48).
Capítulo 3 – Metodologia Experimental
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Figura 46 – Corpo de prova SAE 1045.
Figura 47 – Máquina-Ferramenta
demonstrando como foi o processo
experimental de usinagem.
Figura 48 – Torno CNC ROMI CENTUR 30S utilizado no presente trabalho.
As velocidades de corte utilizadas foram de 27, 45 e 54 m/min, independente de
critérios normalizados, pois o objetivo foi conferir a variação do mecanismo de desgaste
em diferentes velocidades. As velocidades foram escolhidas seguindo os seguintes
critérios:
• A velocidade de corte de 27 m/min que foi executada por NOGUEIRA
[2004], porém com avanço de 0,05mm/rev e profundidade de 0,5 mm;
• A velocidade de 45 m/min é a máxima velocidade de corte que uma
ferramenta de corte de aço rápido suportaria, segundo FERRARESI
[1982];
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• Foi escolhida uma velocidade de corte um pouco acima de 45m/min, ou
seja, a velocidade de 54 m/min, para estimar a máxima velocidade. Como a
esta apresentava colapso muito rapidamente, em um dos testes, reduziu-se a
velocidade de corte para 50 m/min.
As velocidades de corte utilizadas nos ensaios de usinagem estão na Tabela 10.
Para o bits foi utilizada uma velocidade máxima de 50 m/min adquirida no processo com
os insertos. A intenção foi avaliar o desempenho em condições severas.
Para cada velocidade especificada foram ajustados os parâmetros de usinagem, ou
seja, avanço, velocidade, profundidade, fixação de ferramenta e do material ABNT 1045.
TABELA 10 – Velocidades utilizadas nos ensaios de usinagem.
Ferramenta Aresta Velocidade de Corte (m/min) I 27 II 27 Inserto 1 III 27 I 45 II 45 Inserto 2 III 45 I 54 II 54 Inserto 3 III 50
Bits ---- 50